Simulação Do Processo De Infiltração Na Bacia De Juatuba - Mg Com O Modelo Hetp Utilizando a Técnica De Traçadores
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SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE INFILTRAÇÃO NA BACIA DE JUATUBA - MG COM O MODELO HETP UTILIZANDO A TÉCNICA DE TRAÇADORES Marcos Machado Drumond1; Stela Dalva Santos Cota2 & Paulo Cesar Horta Rodrigues3 Resumo – Apresentam-se neste trabalho os resultados da aplicação do modelo HETP - Height Equivalent Theoretical Plates aos dados obtidos em um trabalho experimental realizado na Bacia Representativa de Juatuba (MG), entre novembro de 1999 e maio de 2003. Nesse trabalho experimental utilizou-se a técnica de traçadores para estudar o deslocamento da umidade na zona não saturada do solo e para determinar as taxas de infiltração em 11 parcelas, com dimensões de 3 m x 6 m, representativas da bacia em estudo. A comparação entre os resultados obtidos com os experimentos e com o modelo HETP indicaram que, apesar da sua simplicidade, o modelo HETP simulou de forma satisfatória o fluxo da umidade no interior do solo e que pode ser bastante útil para estimar as taxas de infiltração, principalmente se empregado em conjunto com a técnica de traçadores. Abstract – In this paper an application of Height Equivalent Theoretical Plates - HETP model to the data obtained in a experimental work carried out from November 1999 to May 2003, in the Representative Basin of Juatuba (Minas Gerais State), is presented. In this experimental work tracer technique was used to study the displacement of the moisture in the unsaturated zone and to determine the infiltration rates in 11 basin representative parcels, with dimensions of 3 m x 6 m. The comparison of the experimental and HETP model results has indicated that, despite its simplicity, this model has simulated satisfactorily the moisture flow in soil and that it can be useful to evaluate the infiltration rates, mainly if in association with tracer technique. Palavras-Chave – Modelagem matemática; infiltração; técnica de traçadores. 1 CDTN/CNEN - Rua Prof. Mário Werneck, s/n – Cidade Universitária – Pampulha – Belo Horizonte – MG – (31) 3499 3131 – [email protected] 2 Idem – (31) 3499 3418 – [email protected] 3 Idem – (31) 3499 3126 – [email protected] XIII Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 1 INTRODUÇÃO Considerando a carência de estudos experimentais sobre as bacias brasileiras e o potencial da técnica de traçadores para a realização desses estudos, o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN/CNEN) vem conduzindo, desde 1996, uma série de projetos de pesquisa que visam, em última análise, estudar os processos envolvidos nas principais fases do ciclo hidrológico em uma bacia hidrográfica típica da região central do Estado de Minas Gerais (Bacia Representativa de Juatuba). Um desses projetos de pesquisa, que teve início em novembro de 1999 e término em maio de 2003, tinha por objetivo específico testar e desenvolver a metodologia que o utiliza o trítio artificial como traçador para medir, de forma direta, as taxas de infiltração e evapotranspiração na bacia em estudo. Com base nos resultados obtidos experimentalmente nesse projeto, procurou-se avaliar a adequação do modelo HETP – Height Equivalent Theoretical Plate [1] para simular o processo de infiltração na zona não saturada do solo. Apesar da grande variedade de modelos para simulação de fluxo não-saturado disponíveis (e.g. [2]), o principal motivo para a adoção desse modelo está relacionado com sua simplicidade, com a facilidade de implementação e operação e, também, com o fato de ter sido utilizado anteriormente com dados similares. O modelo HETP foi implementado em Visual Basic do Microsoft Excel 97. São apresentados neste trabalho os resultados obtidos com o modelo. REVISÃO DE LITERATURA A taxa de infiltração das águas pluviais no solo é um parâmetro fundamental em estudos hidrológicos, particularmente no cálculo da recarga de aqüíferos e em estudos de enchentes. São muitos os fatores que têm influência sobre este parâmetro, incluindo a cobertura vegetal do terreno, as condições superficiais do solo, outros parâmetros relacionados ao solo, como a porosidade, a condutividade hidráulica e o teor de umidade existente. Em razão das propriedades do solo variarem bastante, tanto no espaço quanto no tempo, mesmo em se considerando áreas relativamente pequenas, a infiltração é um processo extremamente complexo que, através de equações matemáticas, só pode ser descrito de forma aproximada [3]. O processo de infiltração pode ser considerado como tendo três fases: i) a entrada na superfície do terreno, que é influenciada pela existência de cobertura vegetal e por características do solo como textura, porosidade, estrutura e estabilidade dos agregados na presença de água; ii) a transmissão através do solo, influenciada por características do solo como textura, porosidade, distribuição dos tamanhos dos poros, estratificação, teor de umidade antecedente, salinidade e XIII Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 2 atividade biótica; e iii) a depleção da capacidade de armazenamento no solo, influenciada pela porosidade e por mudanças na distribuição dos tamanhos dos poros no perfil de solo [4]. A taxa de infiltração em um determinado local resulta, portanto, da interação de diversas propriedades pedológicas, hidrológicas e bióticas e os principais fatores determinantes do processo são a porosidade e a distribuição do tamanho dos poros. A área da superfície, o tamanho e o formato dos grãos do solo influenciam o tamanho, a forma e a conexão entre os poros. Embora o tamanho dos grãos e a sua distribuição tenham influência sobre as taxas de infiltração, a distribuição dos tamanhos dos poros pode ser modificada pelo teor de matéria orgânica, pelo fenômeno da agregação, pelo cultivo da terra e pela compactação do terreno. Em geral, qualquer descontinuidade no perfil do solo, como uma mudança de textura, pode resultar em diferenças na distribuição de porosidade e, consequentemente, na diminuição do movimento das águas entre os horizontes do solo. Onde uma camada de material de textura mais grossa, como areia, se sobrepõe a uma camada de material mais fino, como argila, a taxa de infiltração dependerá da camada de argila e a água ficará acumulada na camada de areia. Quando ocorrer o contrário, ou seja, uma camada de material com textura mais fina estiver sobreposta a outra de material mais grosso, a taxa de infiltração inicial será governada pela camada superficial. A água não entrará nos poros maiores até que ela tenha sido acumulada sobre a camada mais fina em uma quantidade suficiente para superar as forças de adesão e coesão existentes na camada mais fina. Só após superar essas forças, o fluxo ocorrerá para a camada mais grossa situada abaixo. A cobertura vegetal e o uso da terra podem afetar as taxas de infiltração pela modificação da porosidade do solo e da distribuição do tamanho dos poros (agregação, material orgânico, compactação e aração) e através do processo de intercepção da água da chuva pelas plantas. Geralmente, em solos agrícolas, quanto maior a cobertura vegetal e maior o tempo de repouso do solo, maior será a infiltração cumulativa. Em solos não protegidos contra o impacto direto das gotas de chuva, por uma cobertura vegetal, e que têm sua estrutura alterada pelo processo de aração, os poros tendem a ser obstruídos por grãos de silte e argila, durante a desagregação. O material orgânico no solo não só serve para criar poros maiores por aumentar a agregação dos grãos, como fornece, também, uma forte “cola” para mantê-los agregados [4]. Os métodos convencionais utilizados para medir a taxa de infiltração no campo podem ser divididos em três grupos [4]: i) simuladores de chuva, no qual a infiltração é determinada pela diferença entre as quantidades de água aplicada e de água escoada; ii) infiltrômetros, instrumentos com um dispositivo para armazenar água e manter a carga hidráulica constante durante a medição; e iii) método de bacia, que permite determinar a infiltração com dados de chuva e vazão reais. Um dos primeiros trabalhos onde se utilizou a técnica de traçador para estudar o processo de infiltração foi realizado por [5], na Alemanha. Nesse trabalho, os autores utilizaram como XIII Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 3 traçadores os isótopos do hidrogênio (deutério e trítio) para demonstrar que a água se infiltra, na zona não saturada do solo, em forma de uma camada que se desloca verticalmente, com velocidades muito baixas (~1 m/ano, no caso dos locais estudados). Com os resultados desses experimentos, os autores demonstraram que camada marcada com traçador funciona como uma fronteira que não é ultrapassada pelas parcelas das chuvas infiltradas após o lançamento com traçador (fluxo do tipo pistão). Assim sendo, pode-se determinar a parcela da chuva que se infiltrou no solo, a menos das perdas pelo processo de evapotranspiração, calculando-se o volume de água existente entre a superfície do solo e a nuvem de traçador. Analisando as possibilidades de erros nos resultados, os autores consideram, em primeiro lugar, a possibilidade da nuvem de traçador não se deslocar de maneira uniforme, caso existissem irregularidades no perfil de solo, mas observam que, em condições normais, o efeito da difusão molecular e o movimento muito lento de descida tendem a uniformizar a distribuição da nuvem, compensando possíveis irregularidades no solo. Outra possibilidade de erros considerada pelos autores foi a existência de desvios, ou caminhos preferenciais, que poderiam provocar uma ascensão anormal da nuvem, no caso da existência de grandes raízes, ou uma descida anormal, no caso da existência de grandes fendas provocadas por chuvas intensas. No primeiro caso, a parcela infiltrada seria subestimada e, no segundo, superestimada. Os autores consideram que essas fatores podem ser evitados, fazendo-se a injeção do traçador abaixo da zona de raízes, uma vez que a possibilidade de ocorrência desses desvios é maior nas camadas superiores do solo. Uma terceira possibilidade de erro seria a não extração total da umidade existente nas amostras de solo (estufa a 105o C), que resultaria em uma subestimativa dos teores de umidade no solo. Segundo os autores, isso pode ocorrer mas somente em casos muito específicos, quando os solos têm uma textura muito argilosa.